Кейти Хинде

1 Катедра по еволюционна биология на човека, Харвардския университет

храната

2 Отдел за мозъка, ума и поведението, Национален изследователски център за примати в Калифорния

3 Хранителна лаборатория, Национален зоологически парк Смитсониън

4 Foods for Health Institute, University of California Davis

J. Bruce German

4 Foods for Health Institute, University of California Davis

5 Департамент по хранителни науки и технологии, Калифорнийски университет, Дейвис

Резюме

Въведение

Чрез изучаването на разнообразните взаимодействия между растителни и животински видове от гледна точка на тази еволюционна динамика е възможно да се разшири нашето разбиране за сложността на самата храна. Биологичните системи са непрекъснат процес на рециклиране и в по-широк смисъл всички ние в даден момент сме „храна“ за нещо. Непосредствеността на селективния натиск върху различни организми като храна варира в широки граници. Освен това, възможностите на съвременното земеделие; генетика и насочено отглеждане, преработка на храни и формулиране на продукти позиционира хората да постигнат безпрецедентен контрол върху своето лично здраве чрез диета.

В основата си млякото е система за доставка на хранителни вещества. Макар и просто по концепция, прехвърлянето на всички основни хранителни вещества в подходящи количества от майчината диета и складовете на тялото чрез мляко на бебета от бозайници е обезсърчително. Бионаличността на повечето хранителни вещества от хранителни материали е лоша поради тяхната неразтворимост, реактивност или комплексообразуване. Освен това хранителните вещества, които се консумират, се абсорбират в различна степен, които от своя страна зависят до известна степен от наличието и концентрацията на други хранителни вещества в диетата. Разбирането на тези взаимоотношения е развито до голяма степен чрез усърдни изследвания върху усвояването на хранителните вещества от сложни хранителни матрици, например, сега е известно, че усвояването на хранителното желязо се засилва от витамин С и се инхибира от фитатите. 5 Разбирането на по-сложните въпроси на храненето в едни и същи молекулярни детайли, чрез идентифициране и контролиране на сложността на диетичния прием при възрастни, става бързо непреодолимо отчасти, тъй като диетичният прием варира толкова широко сред отделните индивиди. Майчиното мляко прави подобни изследвания много по-проследими поради това, че млякото е единствената храна, консумирана по време на ранна детска възраст при всички бозайници.

Млякото като модел на цялостно хранене може да осветли други измерения на диетата и здравето. Например, хранителните условия по време на ранното развитие оформят, или по-скоро програмата, физиологията и невробиологията с доживотни последици за метаболизма, здравето, познанието и поведението. 6 Това допълнително усложнява изследванията на храните и храненето при възрастни; употребата на храна не само отразява сложността на разнообразната диета за възрастни, както е посочено по-горе, но също така зависи от физиологичните пътища, установени по време на развитието, уникални за тяхната ранна среда. Разбиране на динамиката на ранната консумация на храна, напр. следователно майчиното мляко се очертава като жизненоважно измерение на ранното хранене и особено за оптимизиране на здравето в по-късния живот.

Майчиното мляко: еволюционни перспективи

Тези очарователни вариации в състава на макроелементите сред видовете до известна степен прикриват по-дълбоката сложност на млякото. Отвъд макросъставките, които осигуряват калории на бебето, напр. мазнини, протеини и захар, майчиното мляко съдържа имуноглобулини, минерали, витамини, хормони, бактерии и олигозахариди. 4 Малка, но нарастваща литература разкрива широтата на хранителните функции на тези компоненти. Например, изследванията показват, че специфични микросъставки на млякото, самостоятелно и съгласувано, допринасят за невробиологичното, когнитивното, соматичното, метаболитното и имунното развитие при кърмачетата. 4,8-9

Важно е не само, че съставът на млякото се различава при различните видове, а съставът на млякото варира сред майките в рамките на даден вид. 4 По този начин кърмачетата получават „персонализирано” мляко от майка си. Например сред хората и приматите, които не са хора, млечните мастни киселини се получават от непосредствената диета, запасите на майчината тъкан и биосинтезата на млечната жлеза. Следователно липидният състав отразява приема на диета от майката както по време на лактацията, така и през месеците и дори годините преди лактацията. 10 Обширни изследователски усилия са посветени на дълговерижните полиненаситени мастни киселини (LCPUFA), по-специално на омега-3 мастните киселини; докозахексаенова киселина (DHA) и нейният предшественик алфа-линоленова киселина (ALA). Изследванията показват, че концентрациите на мастни киселини варират сред човешките майки. 11 LCPUFA доставят процеси на сглобяване на неврологични тъкани, които са от решаващо значение за невроразвитието и познанието, въпреки че механистичните детайли остават безумно неясни. 9 В допълнение към острия хранителен прием, LCPUFA се мобилизират от майчините соматични липидни запаси. 9 В резултат на това бебетата се буферират от краткосрочните колебания в храненето на майка си в консумацията на мастни киселини.

Освен това, естествените индивидуални разлики в синтеза на мляко имат потенциала да калибрират или програмират отделни траектории на развитие. Сред маймуните резус индивидуалните различия в плътността на енергията на млякото (kcal/g), добива и концентрациите на кортизол са свързани с темпа на растеж на бебето и поведенческото развитие. 12-14 резус макаки (Macaca mulatta) са особено ценен животински модел за изследване на свойствата на млякото, които оказват влияние върху траекториите на развитие на бебето. Разминаването между макака и човешката линия е настъпило ∼25 MYA, те са най-често срещаният биомедицински модел на нечовекоподобни примати и техният геном е секвениран. 15 Освен това резусът и хората обикновено произвеждат еднородени бебета, които растат и се развиват в контекста на сложна социална мрежа. Поради тези причини резултатите от резуса са убедително преводими към механизми на подобни функции от по-висок ред при хората.

Коеволюцията на човешките гени, които кодират производството на млечни олигозахариди и бактериите, които ги усвояват, показва как естественият подбор произвежда сложни адаптации. Най-елементарната, тази забележителна система на хранене е възникнала от интензивен селективен натиск, при който майките едновременно синтезират храна за своето бебе и храна за чревните бактерии, които оптимизират усвояването на храната от това бебе. В резултат на това майките не ядат само за двама, те всъщност ядат за 2 * 10 11 (собствения си чревен микробиом, както и своя бебета)!

Майчиното мляко не само осигурява хранителния субстрат за установяването на коменсални бактерии, млякото продължава да инокулира новороденото с бактерии. В резус макаците майчиното мляко включва множество полезни млечнокисели бактерии, които се пренасят от червата на майката по все още неизвестен път към млечната жлеза, за да бъдат предадени вертикално на бебето след раждането. 20 Млечнокиселите бактерии допринасят за храносмилателната липолиза и протеолиза и усвояването на калций, фосфор и желязо и произвеждат метаболити, които инхибират установяването на патогенни микроби. 18-19 Бактерии с чревен произход от майката също са идентифицирани в млякото на хора и гризачи, но остава да се разбере много относно механизма на транслокация и функцията на тези бактерии при поглъщане от развиващите се млади. 19-20

Обезсърчително е, че разнообразието на компонентите на млякото и техните функции остават слабо проучени и до голяма степен недооценени. Въпреки че са документирани понякога, повечето изследвания върху здравните последици от съставките на млякото произлизат от сравнения между търговското мляко и кърмата и единствено по отношение на състоянието на основните хранителни вещества. Бъдещите изследвания трябва систематично да изследват многобройните източници и разнообразните последици от индивидуалните различия в състава на млякото при кърмещите майки. Например, отделни майки при хора и макаки се различават по разнообразието и разпространението на олигозахариди и бактерии в млякото им, но източникът на тази промяна и последиците за отделните бебета все още не са обяснени. Разбирането на специфичните начини, по които млякото се „персонализира“ - величината и източниците на индивидуални вариации в съставките на млякото и последиците за кърмачето, ще бъде от съществено значение за подобряване на търговските формули и осигуряване на преводима информация за храненето на възрастни.

Млякото на други: Коеволюция на генната култура

Последици за човешкото здраве

Въпреки че културата има потенциал да се промени доста бързо, естественият подбор оформя генома за по-дълъг период от време. 27 Например, физиологичните и невробиологичните механизми на хранене, вкус, смилане и метаболизиране на нашата храна 28 са били доста адаптивни в условията на околната среда на предците. В нашето еволюционно минало по-ранните видове хомо са ловували и се събирали на големи разстояния и са разчитали значително на различни растителни материали, налични сезонно. 29 По-голямата част от индивидите вероятно са били в неутрален енергиен баланс, тъй като дневната енергия, която са изразходвали в поведенческа дейност, тясно съответства на консумираната енергия. В древни случаи, когато хората срещат редки храни, богати на захари, мазнини и сол, допаминергичната верига за възнаграждение в мозъка се активира. Това предизвика чувство на удоволствие и ускорено появяване, много полезна тактика, ако бъдещата наличност на храни с висока стойност е несигурна в променлив пейзаж. 30

Нашата диетична екология в съвременния свят обаче се характеризира с повсеместни „бързи храни“ - силно смилаеми и енергийно плътни - и след като адаптивните гени за метаболитна ефективност стават все по-дезадаптивни, тъй като допринасят за прекомерното наддаване на тегло и още по-разрушително, разнообразие от метаболитни дисфункции. 30 Важното е, че само няколко поколения, в подгрупа от човешки популации, са изпитали тази хранителна среда на търговска храна и особено забележимо калорично изобилие. Следователно, не е минало достатъчно време за възникване на случайни рекомбинации и мутации, които произвеждат метаболитни пътища, които са по-малко ефективни или могат да адаптират доставката на гориво към продуктивна дейност. Вместо това ние носим „еволюционен багаж“ под формата на гени, които допринасят за свръхконсумацията на горива, които в комбинация със заседнал начин на живот ефективно се съхраняват в телата ни, а не се насочват успешно към подобряване на здравето и ефективността.

Ние обаче не сме заложниците на нашия геном. Фенотипът е продукт на гени и околната среда. Въпреки че нашите гени отразяват миналото на предците, толкова различни от съвременния свят, промяната на ранната диетична среда е важна възможност за формиране на здравословен фенотип. Например, нервната верига на апетита се установява отчасти от храни, консумирани по време на ранното развитие 30-31 и хранителните предпочитания могат да се научат чрез кърмата. 33 Въпреки това, въпреки че съществуват доказателства за значителна адаптивност рано, пластичността на тези пътища намалява в хода на развитието. 34-35 Следователно периодът на кърмене, чрез формиране на предпочитания за здравословна храна и здравословни траектории на растеж, е потенциално критичен период за борба със затлъстяването в бъдеще и справяне с променящата ни се среда. Модификациите на начина на живот в зряла възраст, след като невробиологичните и метаболитните пътища са добре установени, вероятно ще имат много по-малък и преходен ефект върху фенотипа.

Заключения

Еволюционната перспектива подобрява нашето разбиране за сложните взаимодействия между храната и потребителите с течение на времето и по този начин информира как подхождаме към храната и човешкото здраве днес. Важно е да се подчертае, че не само генетичният състав на всеки отделен човек е уникален, но и че геномът се е развил така, че много гени зависят от приноса на околната среда, за да функционират. И тъй като социалната, хранителна и микробна среда на всеки човек е уникална, динамичната интеграция на техните гени и околната среда ще спечели от високо персонализираното хранене и лекарства за оптимизиране на човешкото здраве. Чрез получаване на контрол върху личните диети, особено по време на критични прозорци за развитие, когато пластичността е най-очевидна, много измерения на човешкия фенотип могат да бъдат подобрени. Следователно можем да дадем възможност на потребителите не просто да възприемат здравето си като отсъствие на болест, а по-скоро подобряването на тяхното здраве, производителност и възстановяване през целия живот.

Благодарности

Благодарим на Александра Карик, че предостави възможността да напише този коментар и на двама анонимни рецензенти за внимателните им коментари по по-ранен проект на ръкописа. Тази публикация стана възможна отчасти с подкрепата на програмата за безвъзмездна финансова помощ на Университета на Калифорния, Националния институт за науките за здравето на околната среда Суперфонд P42 ES02710, Рисковете за детски аутизъм от генетиката и изследването на околната среда, грант P01 ES11269 и Националните здравни институти - Национален институт на наградите за детско здраве и човешко развитие 5R01HD059127 и 1R01HD061923.